轻型门式刚架的特点和优化方法分析

轻型门式刚架的特点和优化方法分析

Lightweight steel portal frame characteristics and optimization analysis

作者于立岩

单位：中铁十八局集团科研设计院

摘要:目前门式刚架是单层工业厂房中一种常见的结构形式, 本文分析了门式刚架结构的特点，并从柱距、跨度、次构件以及钢材类型等几方面探讨如何降低门式刚架的用钢量，并根据分析结果提出了相关合理化建议。

Abstract: The portal frame for single storey industrial buildings is a common form of structure, this paper analyzes the characteristics of portal frame structure, and from column space, span, components and types of steel and so on several aspects to discuss how to reduce portal frame steel consumption, and according to the analysis results puts forward some reasonable suggestions.

关键词: 门式刚架; 用钢量; 柱距; 跨度

Key words：portal frame；Steel consumption；column space；span；

近几年来, 我国轻钢结构发展迅速, 单层门式刚架轻型房屋钢结构具有跨度大、用钢量低、重量轻、施工速度快、综合造价低和适用范围广等特点, 在轻工业厂房、仓库、交易市场等各类建筑结构中得到了广泛的应用,其中用钢量省、结构轻巧、适用范围广是门式刚架最主要的特点。

在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。

单层轻型门式刚架结构相对于钢筋混凝土结构具有以下特点：

（1）质量轻：

围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10~30kg/m2 ，在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的1/20~1/30。由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载经常成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载。

（2）工业化程度高，施工周期短：

门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。

（3）综合经济效益高：

门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便等。所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。

（4）柱网布置比较灵活：

传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。

在门式刚架的设计中, 为了充分发挥其优越性, 结构工程师应尽可能地优化结构设计, 从而达到“用钢量最省”这个目标。门式刚架的用钢量主要与结构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性能、有无吊车、单跨或多跨等条件有关, 其中建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱

距、檐口高度和屋面坡度。作者将通过以下几个方面并结合工程实例，探讨如何对门市钢架进行优化设计。

作者结合的工程为一无吊车的轻型门式刚架，跨度24m，柱距7.2m，檐口高度9m，围护结构采用彩色复合压型钢板。

1 柱距及跨度对用钢量的影响

（1）柱距对用钢量的影响

经过对大量工程实例统计及计算, 可以发现, 柱距为7～9m 时，总用钢量基本保持稳定。小于7m时, 总用钢量随柱距增大普遍呈降低趋势, 降幅随跨度的增大而增加, 柱距超过9m 时, 由于檩条、支撑、吊车梁等构件的用钢量大幅上升, 造成总用钢量上升，因此, 对于常用刚架, 建议柱距取7～9m, 当无吊车或吊车吨位较小时, 柱距可取8～9m, 当吊车吨

位较大时, 柱距可取7m 左右, 用钢量比常规6m 柱距可节省3%～5%, 总造价可节省2%～6%, 经济效益非常可观。另外同时应考虑设计的标准化、定型化、品种规格化等因素的影响。作者在对某能源科技公司1#厂房的设计项目当中，在充分考虑了业主功能性要求的前提下，根据厂房总尺寸和占地面积，最终确定柱距为7.2米。这样首先在总体设计方面有效地将造价降到最低，从而为后续工作打下良好基础。

（2）跨度对用钢量的影响

门式刚架体系也存在经济跨度, 因此不宜盲目追求大跨度。常规门式刚架的经济跨度范围在18~ 30m，吊车吨位较大时经济跨度在24~ 30m，无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18~ 21m；采用合理跨度可以节省钢材5%~ 15%，降低总造价2%~ 7%，经济效益亦很可观。影响经济跨度的主要因素是荷载，荷载越大时，总用钢量对跨度越敏感，越应注意采用合理跨度。这是因为荷载大则柱截面大，若此时跨度较小，其单位用钢量必然上升。若跨度增大，梁截面又显著增大，也会导致单位用钢量的上升。在设计时，应进行几个方案的综合比较，选择适宜的跨度和跨数。作者在该项目中最终确定的跨度为24m。

2 结构形式对用钢量的影响

轻型门式刚架的形式多种多样, 柱脚与基础通常做成铰接, 多跨刚架的中柱多采用摇

摆柱。但当柱高度较大时, 为控制风荷载作用下的柱顶位移值, 柱脚宜做成刚接, 多跨刚架的中柱与横梁的连接也宜采用刚接, 多跨刚架宜做成多坡, 较为节省钢材。门式刚架一般采用实腹式变截面梁和柱, 柱通常为楔形杆件, 横梁通常做成加腋梁, 加腋长度一般取跨度

的1/ 6～1/ 5 较为经济, 楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2～3 倍为最优截面。门式刚架腹板主要以抗剪为主, 翼缘以抗弯为主, 在无振动荷载作用下, 可充分利用腹板屈

曲后强度分析构件的强度和稳定性, 将构件设计成为高而窄的截面形式( 最小截面高度宜

取跨度的1/ 45～/60, 截面高宽比一般为3～5) , 构件的平面外稳定可通过设置隅撑来保证, 为使结构具有可靠的整体稳定性, 纵向通常设置由十字交义圆钢组成的竖向支撑及屋面横

向水平支撑, 同时, 应在柱顶和屋脊设置刚性系杆。在实际工程中, 当屋面与檩条连接可靠时, 可利用型钢檩条兼作刚性系杆。在有条件时, 檩条可设计成连续檩条, 檩条平面外应根据具体情况设置相应拉条。

3 钢材类型对用钢量的影响

在设计时, 主刚架宜采用Q345- A钢材, 材质符合《低合金高强度结构钢》( GB/ T 1591 - 94) 要求, 吊车梁宜采用Q345- B钢材。在最优跨度24～30m的范围内, 无论柱间距大小, 采用Q345钢的用钢量均比采用Q235钢的用钢量下降16%左右, 成本稍高的热加强钢材不仅强度提高, 由于结晶组织的改善而韧性提高, 同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能。而Q345钢价格仅比Q235钢的价格每吨高100多元, 所以采用低合金高强度钢是降低总用钢量的重要途径之一。

4 次构件对用钢量的影响